DE102007045443A1

DE102007045443A1 - Abkoppelbare Sekundärmasse beim Zweimassenschwungrad

Info

Publication number: DE102007045443A1
Application number: DE200710045443
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Kraus; Werner Schiek
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-09-22
Filing date: 2007-09-22
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zweimassenschwungrad für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine motorseitig angeordnete Primärmasse (01) und eine getriebeseitig angeordnete Sekundärmasse (02), wobei die Primärmasse (01) und die Sekundärmasse (02) über ein Lager drehbar miteinander verbunden sind, sowie ein dämpfendes Mitnehmersystem (05) zur Kopplung von Pirmärmasse (01) und Sekundärmasse (02) umfassend. Das Zweimassenschwungrad zeichnet sich dadurch aus, dass das Lager eine integrierte Kupplung (06) aufweist, wobei mittels der Kupplung (06) die Sekundärmasse (02) abkoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zweimassenschwungrad für ein Kraftfahrzeug umfassend eine motorseitig angeordnete Primärmasse und eine getriebeseitig angeordnete Sekundärmasse, wobei die Primärmasse und die Sekundärmasse über ein Lager drehbar miteinander verbunden sind, sowie weiterhin ein dämpfendes Mitnehmersystem zur Kopplung von Primärmasse und Sekundärmasse umfassend.
Der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs wird durch die zündungsbedingte Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors zu Schwingungen angeregt. Insbesondere bei Motoren mit wenigen Zylindern sowie im unteren Drehzahlbereich, z. B. beim Anlassen oder Abstellen des Motors, können solche Schwingungen erheblich sein und nicht nur den Nutzer des Fahrzeugs stören sondern auch die Materialbeanspruchungen stark erhöhen. Eine weitere starke Komfortbeeinträchtigung ergibt sich durch Lastwechselreaktionen, wie schnelles Gasgeben und Wegnehmen von Gas. Hierbei wird der Antriebsstrang „aufgezogen" und schwingt lang anhaltend wegen nur schwacher Dämpfung aus. Es besteht daher die Notwendigkeit, derartige Schwingungen konstruktiv zu mindern.
Zur Reduktion von Drehschwingungen ist es aus der Praxis bekannt, Zweimassenschwungräder einzusetzen. Ein Zweimassenschwungrad ist ein Torsionsschwingungsdämpfer, der insbesondere in Kraftfahrzeugen zwischen die Brennkraftmaschine und das Getriebe geschaltet ist. Es besteht aus einer direkt mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine verbundenen Primärmasse und einer über die Kupplung gekoppelten, mit der Eingangswelle des Getriebes verbundenen Sekundärmasse. Primär- und Sekundärmasse sind über ein dämpfendes Mitnehmersystem, welches zumeist in Form von zwei einander gegenüberliegenden Spiraldruckfedern ausgeführt ist, miteinander gekoppelt. Beide Massen sind über ein Wälzlager oder ein Gleitlager zueinander drehbar gelagert. Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs wird über die sich drehende Kurbelwelle die Primärmasse aktiv angetrieben. Über die Mitnehmerdämpfer wird die Sekundärmasse mitgenommen, die ihrerseits die Getriebewelle treibt. Im Betrieb rotiert demnach das gesamte Zweimassenschwungrad. Über die Mitnehmerdämpfer werden Drehungleichförmigkeiten, die aus Unwuchten der Massen oder Ungleichmäßigkeiten der Brennkraftmaschine resultieren, gedämpft. Die drehbare Lagerung verbunden mit der Dämpfung über die Federmitnehmer ermöglicht ein Verdrehen der beiden Massen zueinander, um die Ungleichförmigkeiten zu kompensieren.
Die DE 10 2005 008 014 A1 beinhaltet ein Zweimassenschwungrad für ein Kraftfahrzeug mit einer Primärmasse und einer Sekundärmasse, die über ein Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring drehbar miteinander verbunden sind. Bei der vorgestellten Lösung ist charakteristisch, dass ein an der Primärmasse angeordneter Lagerträger den Innenring des Wälzlagers bildet.
Ein besonders problematischer Betriebszustand kann beim Zweimassenschwungrad beim Starten des Motors erreicht werden. In der Regel ist ein Zweimassenschwungrad derart ausgelegt, dass seine Resonanzfrequenz unterhalb der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine auftritt. Die Resonanzfrequenz liegt üblicherweise im Bereich zwischen 200 und 400 U/min. Beim Startvorgang mit ansteigenden Drehzahlen der Brennkraftmaschine lässt es sich jedoch nicht vermeiden, dass sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem kritischen Frequenzbereich bewegt, welcher dem Resonanzfrequenzbereich des Zweimassenschwungrades entspricht. Da dieser Resonanzfrequenzbereich bei einem normalen Startvorgang der Brennkraftma schine zügig durchlaufen wird, entsteht daraus keine Gefahr für das Zweimassenschwungrad. Wird bei einem Startvorgang jedoch der Startvorgang abgebrochen, bevor die Brennkraftmaschine ihre Nennleerlaufdrehzahl erreicht hat, besteht die Gefahr, dass die Brennkraftmaschine zwar zündet, jedoch mit sehr wenig Überschussmoment den Resonanzfrequenzbereich des Zweimassenschwungrades durchläuft. Dies kann dazu führen, dass die Brennkraftmaschine den Resonanzfrequenzbereich des Zweimassenschwungrades nicht überwinden kann, sondern darin „hängen bleibt". Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Startresonanzhänger. Um einen derartigen Startresonanzhänger zu vermeiden, ist es bekannt, Vorrichtungen wie Reibsteuerscheiben in das Zweimassenschwungrad einzubauen, um eine hohe Dämpfung zu erzeugen und eine sonst drohende mechanische Zerstörung des Zweimassenschwungrandes zu vermeiden. Diese hohe Dämpfung verhindert jedoch eine effektive Schwingungsdämpfung im Drehzahlbereich zwischen 1500 und 2500 U/min. Um dennoch auch in diesem Bereich eine effektive Schwingungsdämpfung zu erreichen, sind kostenaufwendige Zusatzmaßnahmen wie reibungsfreie Federn, mehrstufige Dämpfer, Fliehkraftbremsen oder aktive Bremsen erforderlich.
Es ist aus der Praxis auch bekannt, ein Zweimassenschwungrad mit einer zusätzlichen Dämpfereinrichtung auszustatten, welche eine Überlastung bei Resonanz vermeiden soll. Diese zusätzliche Dämpfereinrichtung kann im Normalbetrieb außer Funktion sein. Die Drehschwingungen des Motors würden dann vom Mitnehmerdämpfer herausgefiltert werden. Für eine optimale Schwingungsisolation und den weichen Resonanzdurchgang beim Starten und Abstellen des Motors muss das Verhältnis von Reibung und Federrate optimal gewählt werden. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Länge der Federn. Je weicher eine Feder ist, desto besser können Schwingungen isoliert werden. Durch Verwendung einer zusätzlichen Dämpfereinrichtung können Resonanzüberhöhungen im Fahrbetrieb vom Getriebe nahezu vollständig abgehalten werden. Eine zusätzliche Dämpfereinrichtung benötigt jedoch auch zusätzlichen Bauraum. Außerdem ist sie relativ kostenintensiv.
In der DE 10 2005 026 463 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug beschrieben, bei dem der Startvorgang der Brennkraftmaschine nicht abgebrochen werden kann, wenn sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem kritischen Frequenzbereich bewegt, der dem Resonanzfrequenzbereich eines Drehschwingungsdämpfers entspricht. Wenn von einem Fahrer manuell ein Startvorgang ausgelöst wird, greift beim Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahlschwelle der Brennkraftmaschine im weiteren zeitlichen Verlauf ein Steuergerät ein, welches einen automatischen Startvorgang durchführt und überwacht. Auch diese Lösung ist relativ aufwendig und kostenintensiv, da unter anderem ein zusätzliches Steuergerät benötigt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Zweimassenschwungrad zur Verfügung zu stellen, mit welchem auf einfache Art und Weise Resonanzüberhöhungen insbesondere beim Starten des Motors reduziert werden können, wobei das Zweimassenschwungrad preiswert zu fertigen sein soll und wenig Bauraum benötigen soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Zweimassenschwungrad gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Zweimassenschwungrad zeichnet sich dadurch aus, dass das Lager, welches die Primärmasse und die Sekundärmasse drehbar miteinander verbindet, eine integrierte Kupplung aufweist, wobei mittels Kupplung die Sekundärmasse abkoppelbar ist. Die Abkopplung der Sekundärmasse erfolgt in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen, insbesondere in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der Schwungmassen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch den Einsatz einer in das Lager integrierten Kupplung und der damit verbundenen Möglichkeit der Abkopplung der Sekundärmasse ein besseres Lastwechselverhalten erreicht werden kann. Beispielsweise kann während des Startvorgangs (also beim Anlassen des Motors) bzw. Anhaltevorgangs (also beim Abschalten des Motors) die Sekundärmasse abgekoppelt werden. Es wirkt nunmehr nur noch die Primärmasse. Bekanntlich sind die Resonanzüberhöhung und die damit verbundenen Drehmomentspitzen umso stärker je größer die Massenträgheitsmomente der schwingenden Massen sind. Bei der erfindungsgemäßen Lösung verringern sich bei abgekoppelter Sekundärmasse die schwingenden Massen und damit auch die Massenträgheitsmomente. Auf diese Weise kann eine deutliche Reduzierung der Resonanzüberhöhung erreicht werden. Die Gefahr eines Startresonanzhängers kann somit auf einfache Art und Weise vermieden werden. Bislang waren hierzu aufwendige und kostenintensive Maßnahmen erforderlich, die weiter oben bei der Würdigung des Standes der Technik bereits erörtert wurden.
Da die Kupplung beim erfindungsgemäßen Zweimassenschwungrad in das bereits vorhandene Lager integriert ist, wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt. Die erfindungsgemäße Lösung erfordert somit im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen relativ wenig Bauraum; insbesondere die axiale Ausdehnung des Zweimassenschwungrads verringert sich deutlich.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat sich eine fliehkraftgesteuerte Kupplung als vorteilhaft erwiesen. Dadurch besteht die Möglichkeit die Sekundärmasse in Abhängigkeit einer vorbestimmten Drehzahl abzukoppeln. Alternativ dazu können aber auch andere Kupplungsprinzipien zum Einsatz kommen, beispielsweise elektromagnetisch oder hydraulisch betätigte Kupplungen, die von einer Steuereinheit aktiviert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Entkopplung zwischen Primärmasse und Sekundärmasse in mehreren Drehzahlbereichen bzw. bei verschiedenen Betriebszuständen bewirkt werden kann, indem die Kupplung aktiviert wird.
Von Vorteil ist es, wenn die Sekundärmasse unterhalb einer Drehzahl von etwa 650 U/min abkoppelbar ist. Die Resonanzfrequenz eines in Kraftfahrzeugen verwendeten Zweimassenschwungrades liegt in der Regel im Bereich zwischen 200 und 400 U/min. Dadurch, dass die Sekundärmasse unterhalb von 650 U/min abgekoppelt ist bzw. erst oberhalb von 650 U/min angekoppelt wird, ist sichergestellt dass im kritischen Resonanzbereich des Zweimassenschwungrades nur die Primärmasse wirkt, wodurch sich die schwingenden Massen und des nur die Primärmasse wirkt, wodurch sich die schwingenden Massen und damit auch die Massenträgheitsmomente reduzieren. Somit kann ein Startresonanzhänger wirksam vermieden werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kommt als dämpfendes Mitnehmersystem ein Federdämpfer zum Einsatz. Federdämpfer werden schon seit geraumer Zeit bei Zweimassenschwungrädern eingesetzt und haben sich als besonders günstig erwiesen. Bei einer weitergebildeten zweckmäßigen Ausführungsform umfasst der Federdämpfer zwei einander gegenüberliegenden Spiraldruckfedern. Es soll jedoch keine Einschränkung auf Federdämpfer erfolgen, andere geeignete Dämpfungssysteme können ebenfalls verwendet werden.
Bei einer nochmals abgewandelten Ausführungsform kann eine Bremseinrichtung vorgesehen sein, welche nach Entkopplung von Primärmasse und Sekundärmasse gezielt auf die Sekundärmasse einwirkt, um diese abzubremsen. Dies ist insbesondere beim Abstellen des Motors von Vorteil, damit die Sekundärmasse nicht länger als der abgestellt Motor nachläuft.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines in den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingebauten Zweimassenschwungrades. Das Zweimassenschwungrad umfasst eine Primärmasse 01 und eine Sekundärmasse 02, die koaxial zueinander und zu einer Rotationsachse 03 angeordnet sind. Die Primärmasse 01, welche auch als motorseitige Schwungmasse bezeichnet werden kann, ist mit einer Abtriebswelle eines Motors 04 des Kraftfahrzeuges verbunden. Die Sekundärmasse 02, die auch als getriebeseitige Schwungmasse bezeichnet werden kann, ist mit der Eingangswelle eines Getriebes 07 verbunden.
Primärmasse 01 und Sekundärmasse 02 sind über ein dämpfendes Mitnehmersystem 05 miteinander gekoppelt. Als dämpfendes Mitnehmersystem 05 kommt bevorzugt ein Federdämpfer zum Einsatz, welcher beispielsweise zwei einander gegenüberliegende Spiraldruckfedern umfassen kann.
Primärmasse 01 und Sekundärmasse 02 sind darüber hinaus in herkömmlicher Weise über ein hier nicht dargestelltes Lager drehbar zueinander um die Rotationsachse 03 gelagert. Das Lager kann als Wälzlager oder als Gleitlager ausgeführt sein. In das Lager ist erfindungsgemäß eine Kupplung 06 integriert. Mittels der Kupplung 06 kann die Sekundärmasse 02 vom Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs abgekoppelt werden. Die Kupplung 06 kann vorzugsweise über die Fliehkraft gesteuert werden und somit drehzahlabhängig geschaltet werden. Eine solche Fliehkraftkupplung benötigt keine von außen eingreifenden Betätigungselemente sondern wird bei Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl automatisch aktiviert. Der prinzipielle Aufbau solcher Fliehkraftkupplungen ist dem Fachmann bekannt, sodass hier auf eine detaillierte Beschreibung dieses Konstruktionselements verzichtet werden kann.
Als vorteilhaft hat es sich bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor und Schaltgetriebe erwiesen, die Kupplung 06 so auszulegen, dass unterhalb von etwa 650 U/min eine Abkopplung der Sekundärmasse 02 erfolgt. Generell sollen die Kupplung und das sie auslösende Schaltelement so dimensioniert werden, dass eine Entkopplung von Primärmasse 01 und Sekundärmasse 02 rechtzeitig vor Erreichen einer zur Resonanzfrequenz des Schwungrads korrespondierenden Drehzahl erfolgt. Lager mit eingebauter fliehkraftgesteuerter Kupplung sind am Markt verfügbar und werden bereits bei der Serienfertigung eingesetzt.
Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs wird über die sich drehende Abtriebswelle des Motors 04 die Primärmasse 01 aktiv angetrieben. Die Kopplung zwischen Motor 04 und Primärmasse 01 bleibt in allen Betriebzuständen aufrecht erhalten. Bei geschlossener Kupplung 06 wird über das dämpfende Mitnehmersystem 05 auch die Sekundärmasse 02 mitbewegt. Die Sekundärmasse 02 treibt die Ge triebeeingangswelle 07 an. Das dämpfende Mitnehmersystem 05 sorgt dabei für eine Dämpfung auftretender Drehungleichförmigkeiten.
Wird nun während des Fahrbetriebs eine vorbestimmte Drehzahl, beispielsweise von 650 U/min, unterschritten, erfolgt mittels Kupplung 06 ein Abkoppeln der Sekundärmasse 02. Ein solcher Drehzahlbereich wird beispielsweise beim Starten des Kraftfahrzeugs durchlaufen. Im unteren Drehzahlbereich, in dem auch der kritische Resonanzbereich des Zweimassenschwungrades liegt, ist somit nur die Primärmasse 01 wirksam. Dadurch verringern sich im Vergleich zu dem Zustand mit eingekoppelter Sekundärmasse 02 in diesem unteren Drehzahlbereich die schwingenden Massen und somit auch die Massenträgheitsmomente. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es zu keiner durch Resonanzüberhöhung hervorgerufenen Überlastung kommen kann. Ein Startresonanzhänger kann wirksam vermieden werden.
Das Abkoppeln der Sekundärmasse 02 kann bei geeigneter Gestaltung der Kupplung 06 unter Volllast erfolgen. Die Auslegung der Kupplung 06 lässt sich im Übrigen an unterschiedliche Einsatzfälle anpassen. Im einfachsten Fall trennt die Kupplung 06 nur die Sekundärmasse 02 vom Antriebsstrang ab, während die Kraftkopplung zwischen Motor 04 und Getriebe 07 unverändert aufrecht erhalten bleibt. Diese Kraftübertragungsstrecke wird durch eine herkömmliche Schaltkupplung kontrolliert. Bei abgewandelter Ausführungsform kann die Kupplung 06 jedoch auch die Kraftübertragungsstrecke zum Getriebe auftrennen, wenn die Sekundärmasse 02 abgekoppelt wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zweimassenschwungrads kann ein sogenanntes Abstellklappern verhindert werden, wenn die Entkopplung zwischen Primärmasse 01 und Sekundärmasse 02 nicht nur beim Anlassen des Motors sondern auch beim Abschalten aktiviert wird. Auch in diesem Betriebszustand wird die resonanzkritische Drehzahl nochmals durchlaufen.

01: Primärmasse
02: Sekundärmasse
03: Rotationsachse
04: Abtriebswelle eines Motors
05: dämpfendes Mitnehmersystem
06: Kupplung
07: Eingangswelle eines Getriebes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005008014 A1 [0004]
- DE 102005026463 A1 [0007]

Claims

Zweimassenschwungrad für ein Kraftfahrzeug umfassend eine motorseitig angeordnete Primärmasse (01) und eine getriebeseitig angeordnete Sekundärmasse (02), wobei die Primärmasse (01) und die Sekundärmasse (02) über ein Lager drehbar miteinander verbunden sind, sowie mit einem dämpfenden Mitnehmersystem (05) zur Kopplung von Primärmasse (01) und Sekundärmasse (02), dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (06) zwischen Primärmasse (01) und Sekundärmasse (02) geschaltet ist, wobei mittels der Kupplung (06) die Sekundärmasse (02) von der Primärmasse (01) kräftemäßig abkoppelbar ist.
Zweimassenschwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (06) in das Lager integriert ist.
Zweimassenschwungrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (06) fliehkraftgesteuert ist.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärmasse (02) unterhalb einer zur Resonanzfrequenz des Zweimassenschwungrads korrespondierenden Drehzahl abkoppelbar ist.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärmasse (02) unterhalb einer Drehzahl von etwa 650 U/min abkoppelbar ist.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dämpfende Mitnehmersystem (05) ein Federdämpfer ist.
Zweimassenschwungrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Federdämpfer zwei einander gegenüberliegende Spiraldruckfedern aufweist.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Wälzlager ist.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Gleitlager ist.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremseinrichtung vorgesehen ist, welche nach Entkopplung von Primärmasse (01) und Sekundärmasse (02) auf die Sekundärmasse (02) einwirkt, um diese abzubremsen.
Zweimassenschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (06) an eine Steuereinrichtung gekoppelt ist, welche die Kupplung (06) zur Abkopplung der Sekundärmasse (02) während des Anlassens und/oder des Abstellens des Motors aktiviert.